气化滤饼对枸杞枝条堆肥进程、品质和碳氮损失的影响

韩聪颖, 王星怡, 马永杰, 张雪艳

(1.宁夏大学 农学院,银川 750021;2. 中国农业大学 园艺学院,北京 100193 )

中国是农业大国,各类农作物资源十分丰富,伴随农业快速发展,农业规模化增加,农业废弃物日益增多[1]。农业废弃物的传统处理方式包括填埋和焚烧,会造成严重的水和空气环境污染[2]。大量废弃物需要有效的处理措施才可获得经济和环境效益双丰收,“零废物”是解决废弃物问题的有效途径[3]。中国每年农业废弃物产量巨大,废弃物回收利用对于维持农业循环可持续发展至关重要,也有利于环境保护。

农业废弃资源最主要利用方式是作为燃料和肥料,少部分进行基质化利用。农业废弃物中一般含有杂草种子、病原菌等,如不经过处理直接使用,容易产生烧苗、二次污染土壤等负面影响[4]。目前常见的处理措施是堆肥,堆肥是一种生化过程,是实现农业废弃物和家畜粪便资源化利用的有效途径,好氧堆肥产品微生物丰富,且具有稳定的物理、化学和生物特性[5]。堆肥材料碳氮比、物理性状、微生物群落以及养分是评价堆肥进程与质量的重要指标[6],然而,堆肥过程伴随着大量NH3释放,这会造成大量的氮损失,使堆肥质量下降,污染环境[7]。

不同添加物质可改变堆肥材料结构,改变堆肥中微生物的新陈代谢和有机质降解,堆肥常见添加物质主要有生物炭、木炭和废渣等有机物质,以及凹凸棒、沸石和过磷酸钙等无机物质[8],这些添加物质有的可吸附氨气,减少有害气体释放,有的成本低,安全无污染。而气化滤饼由煤和碳组成,经水煤气转化后并未完全反应,通过水冷过滤的固体残留废物,气化滤饼的表面积和孔径较大,残余碳含量和热值很高[9],占煤燃烧产生的固体废物的三分之一;且中国年产量可达224万t,如果实现其资源化利用,对解决煤矿废弃资源具有重要意义[10]。气化滤饼有较高的保水特性,且含有丰富的碳,其含量达20%～50%,同时气化滤饼也含有较多的钾、磷、硫、钙等元素,Wang等[11]研究发现气化滤饼加入柠条堆肥进程后,可有效促进有机质的分解,减少氮素损失。因此气化滤饼有可能是一种有效的堆肥添加剂,可用来改善堆肥过程,提高堆肥质量。

枸杞是宁夏重要的经济作物,占中国栽培面积45%,宁夏百万亩枸杞核心产区,在冬春两季整枝修剪会产生大量枝条,枸杞枝条中的木质纤维素含量达97%以上[12],高含量木质纤维素导致其作为饲料品质较差,而焚烧又不符合中国现有政策[13],因此枸杞枝条基质化利用是一种解决方式。冯海萍等[14]和曲继松等[15]从微生物菌剂和C/N调控等方面研究其对枸杞枝条基质化的影响,结果表明C/N对枸杞枝条基质化发酵堆体温度、养分和腐熟指标会产生显著的影响,添加外源微生物菌剂可增加枸杞枝条粉腐熟发酵的物理性状,但酶菌协同使用对环境要求较高,资源使用较多。而引入气化滤饼到枸杞堆肥中,是否改善堆肥进程,提高堆肥质量鲜有研究。

因此本试验设计不同比例气化滤饼添加量,探究气化滤饼在枸杞枝条堆肥腐熟过程中对其理化性质、养分以及气体排放的影响,明确气化滤饼对枸杞枝条堆肥碳氮转化、堆肥质量以及堆肥养分富集的贡献,为宁夏地区枸杞枝条和气化滤饼资源化利用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 堆肥装置

试验堆肥装置由堆肥罐、培养箱、冷凝罐和空气泵(图1)组成。堆肥罐的高度为30 cm,直径为15 cm,体积为4 L,在罐底部上方5 cm处安装了一个有许多小孔(直径1.5 mm)的筛网,堆肥材料放在筛网上方。底部的小孔用于输入蒸馏水和空气(通风5 min,间歇30 min),堆肥罐置于恒温培养箱中。冷凝罐中放置两个250 mL玻璃瓶来收集堆肥气体中的NH3和CO2。

图1 堆肥装置及其组件的示意图

1.2 堆肥材料和采样

试验于宁夏园艺产业园进行,共持续50 d,堆肥材料有气化滤饼、鸡粪和枸杞枝条。枸杞枝条被切成0.5～1.0 cm的碎片,然后与鸡粪复配,鸡粪和枸杞枝条复配后的C/N为25∶1,气化滤饼按照质量比0%(G0)、6.25%(G6.25)、12.5%(G12.5)、25%(G25)、50%(G50)和100%(G100)与鸡粪和枸杞枝条二次复配。气化滤饼收集于宁夏宁东神华宁煤业集团有限公司(38°2′15″N, 106°39′25″E),鸡粪收集于宁夏中卫市的鸡养殖场(36°6′34″N, 104°17′13″E),枸杞枝条收集于宁夏银川市的宁夏林场(38°08′19″N, 105°49′31″E)。表1为3种原材料的物理化学特性。该试验共6个处理,每个处理3次重复,每个重复3个堆肥罐,共18个堆肥罐。

表1 堆肥原料基本物理化学性质

在堆肥过程中,堆肥罐的温度使用培养箱控制在55 ℃,冷凝罐的温度控制在4 ℃(放置于 4 ℃冰箱)。每周进行2次翻堆,堆肥的含水量保持在60%左右。分别在堆肥的第0、7、14、21、28、35、42和49天取样,采用五点取样法收集堆肥样品100 g,分析测试样品的pH、有机质、全氮、硝态氮、铵态氮和种子发芽指数。将样品风干、研磨,过2 mm筛后,测定样品营养物质浓度。在堆肥时每周收集两次气体排放,NH3使用硼酸(H3BO4)收集,CO2使用NaOH收集,计算堆肥的气体排放。

1.3 堆肥化学性质分析

堆肥的温度由温度记录仪(QM-ZC-16,河南商丘传感器技术有限公司)通过温度探头直接测量。在堆肥过程中,每30 min监测1次堆肥温度,计算日平均温度。

堆肥的种子发芽指数(GI)按如下方法计算[16]。

分别称取待测堆肥试样10 g,置于150 mL锥形瓶中,按固液比1∶10加入100 mL蒸馏水置于振荡器上,调节振荡频率180 r·min-1,室温下振荡浸提30 min,取下静置0.5 h后,取上清液过滤,收集浸提液摇匀后供试。在培养皿中垫两张滤纸,均匀放入15粒大小基本一致、饱满的黄瓜种子,加入堆肥浸提液5 mL,盖上培养皿盖,在温度为25 ℃、湿度80%的培养箱中避光培养 48 h,分别测量各堆肥浸提液中黄瓜种子的根长和发芽数量,统计发芽率。每个样品重复试验3次,以蒸馏水作对照。

种子发芽指数=(堆肥浸提液培养种子发芽率×根长)/ (蒸馏水培养种子发芽率×根长)

使用pH计和电导率仪(SJ-3F和DDS-307A,中国上海)测量pH和电导率。使用凯氏定氮法测定总氮[17]。使用重铬酸盐氧化和滴定法测定有机物[18]。用碳酸氢钠提取并用钼蓝比色法测定速效磷。用乙酸铵提取,用火焰光度法测定速效钾[19]。采用靛酚蓝比色法测定铵态氮和硝态氮含量[20]。

使用质量法计算堆肥过程中总碳和总氮的损失百分比[21],具体为:

氮损失=(N1×M1-N2×M2)/(N1×M1)×100%

碳损失=(C1×M1-C2×M2)/(C1×M1)×100%

氮固定=(G0氮损失-处理氮损失)/G0氮损失×100%

N1和C1是最初的氮含量和碳含量,N2和C2是最终的氮含量和碳含量,M1和M2是最初和最终的干物质重量。

1.4 统计分析

每个处理每个参数测定3个重复。用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理和分类,SPSS 24.0进行相关性分析,Origin 2018和Canoco 5软件对分析结果进行制图。将多指标降维,转化为主要成分,进行主成分分析,综合得分由以下公式计算:

j=1,2,…,n

式中:Xj为对应指标因子负荷,Yj为对应指标标准化值,Ej为对应主成分特征值;Pj为对应主成分方差百分比。

2 结果与分析

2.1 气化滤饼添加对枸杞枝条堆肥的温度和化学性质影响

如图2所示,加入气化滤饼后,提高了堆肥的温度并延长了堆肥的高温期。各处理在在2 d内进入高温期,在堆肥过程中,G0、G6.25、G12.5、G25、G50和G100处理最高温度分别达到59.5 ℃、 61.2 ℃、64.9 ℃、65.4 ℃、66.2 ℃、69.1 ℃,表明随气化滤饼添加比例增加,堆肥温度增加,这可能是因为气化滤饼和枸杞枝条较为细小,吸水后表面积增加,为微生物活动提供充足空间;按照气化滤饼添加量从低到高,G0、G6.25、G12.5、G25、G50和G100处理高温期(> 55 ℃)的持续时间分别 42 d、44 d、46 d、46 d、46 d、48 d。与G0相比,其他处理高温时间按照气化滤饼添加量从低到高 分别提前2 d、4 d、4 d、4 d、6 d,这可能是气化 滤饼为微生物的繁殖提供良好条件,促进堆肥 进程。

图2 堆肥过程中温度、pH、有机质、全氮、硝态氮和铵态氮的变化

所有处理pH随发酵时间延长,呈现先增加后下降最后趋于稳定的趋势。添加气化滤饼各处理初始pH高于G0,且pH随添加气化滤饼量的增加而增加。随着堆肥时间的延长,G25、G50和G100在第12天pH上升并达到最大值,较堆肥初升高1.8%～6.5%,之后各处理pH有小幅度下降并保持稳定,这是由于堆肥初期大量氨气生成,后期随着有机质分解生成有机酸,因此pH先增后降。有机质含量随堆肥的进程呈下降趋势,除G25外,其他各处理有机质含量在前7 d呈现迅速下降,之后下降趋于缓慢,而G25处理在前35 d呈缓慢下降,但在35～42 d较之前相比下降速度变快,最终所有处理趋于平缓,到堆肥结束, G12.5和G25下降最多,表明气化滤饼添加量增加,促进了堆肥的好氧发酵速度,这可能是因为气化滤饼含水量较高,而高湿可增加堆肥的发酵速度。

在堆肥过程中,全氮含量除G100外,其他处理前7 d都会小幅度下降,随后所有处理都呈现上升趋势,前期下降是由于氮气的挥发,后期上升则是氮的浓缩效应。堆肥初期,除了G6.25处理外,其他处理全氮含量都低于G0处理。随着堆肥的完成,除G50和G100外,各处理全氮含量都高于G0处理,总氮含量最高的是G12.5处理,达1.66%,这可能是全氮多来源于有机质的分解,高碳低氮的气化滤饼使堆肥碳氮比失衡,抑制有机质分解。随着堆肥时间的增加,各处理的硝态氮含量先升高后降低再升高。堆肥初期,各处理硝态氮都显著低于G0处理,随着堆肥的完成,除G100外各处理硝态氮都高于G0,这是因为微生物在进行硝化作用,其速度随着堆肥过程中温度的提高以及pH的降低而增加。堆肥过程中各处理铵态氮含量总体上呈现先升后降再升高后再降低的趋势,在第7天时,各处理铵态氮含量达最大值,G0、G76.25、G12.5、G25、G50和G100按照气化滤饼添加从低到高处理依次上升29.1%、7.3%、 8.2%、5.0%、37.7%、 29.6%,且堆肥结束时,铵态氮含量按照气化滤饼添加量从低到高处理依次降低,G50与G100间差异不显著,铵态氮会伴随着NH3的生成而损失,而温度和pH影响NH3的生成,由于气化滤饼呈碱性,所以高质量比的气化滤饼会导致更多的铵态氮分解。

2.2 堆肥过程NH3和CO2释放

如图3-a所示,从堆肥开始,各处理NH3挥发量显著增加,第8天时G50、G100达到首次峰值且NH3挥发量显著高于其他处理。堆肥过程中,NH3释放总量随气化滤饼添加量增加呈先降低后增加的趋势,G0与G6.25和G25间无显著差异,G12.5处理释放量最低,G50和G100释放量显著高于其他处理(图3-b)。图3-c显示堆肥过程中CO2的释放变化,G0、G6.25、G12.5、G25首次峰值在第4 天;而G50、G100的首次峰值则在第6 天。图3-d显示CO2累积排放量,G0与G6.25无显著差异,但显著低于其他处理,其他处理间无显著差异。

图3 堆肥过程中NH3(a)和CO2排放量(b)变化及 NH3(c)和CO2累积排放量(d)

2.3 气化滤饼添加对枸杞枝条堆肥的成熟度影响

堆肥是否腐熟的主要变量为碳氮比和种子发芽指数。如图4所示,堆肥过程中整体碳氮比呈下降趋势,堆肥初期,各处理碳氮比均高于G0,由于气化滤饼是一个高碳无氮物料,所以在堆肥完成时,G100的碳氮比为27.66,其他各处理碳氮比在19.87～23.54。碳氮比在25以下认为堆肥较为理想,除G100外,其他各处理均达到要求。图4为各处理堆肥过程中种子发芽指数(GI)变化。GI反映了堆肥的成熟度,随着堆肥发酵的进行,各处理GI呈上升趋势。一般GI达80%就可认为堆肥无害,堆肥完成时,只有G0、G6.25、G12.5达到GI要求,G25为76.0%,略低于堆肥要求,而G50和G100远远低于堆肥安全要求。

图4 堆肥过程中碳氮比和种子发芽指数的变化

2.4 堆肥中养分的损失与累积

速效养分含量是堆肥养分供给的强度指标。与堆肥初期相比,堆肥结束时的速效磷含量均有显著增加(表2),与G0相比,G12.5和G25显著增加6.34%和13.70%,G50和G100显著降低 32.43%和67.15%,这可能是因为堆肥中速效磷来源于有机磷的矿质化作用,有机磷的矿化速度受温度、水分条件以及碳氮比影响较大,较大的碳氮比会使堆肥中的无机磷被微生物固化。速效钾含量与速效磷相似,在堆肥结束后,速效钾含量都显著增加,且所有处理的速效钾含量增加量均显著高于G0,G50和G100处理拥有较高的速效钾累积量,这可能是因为气化滤饼本身有较高的钾含量以及高水分含量,所以在堆肥过程中有更多的速效钾浸出和转化。

表2 堆肥后速效磷和速效钾初、终及净积累量

表3为各处理堆肥过程中碳和氮的损失以及氮的固定。与G0相比,添加了气化滤饼后促进了有机碳的分解,且随着添加量的增加碳损失越多。在6.25%～25%的添加量时,观察到氮损失的减少和氮固定的增加,在G12.5固定最多,达到39.8%,气化滤饼高质量比添加的G50和G100增加了氮损失,减少了氮素固定。

表3 堆肥过程中碳氮损失和氮固定

2.5 堆肥过程理化特性、腐熟特性、堆肥肥力指标间主成分分析

堆肥的理化指标、成熟度及肥力反映了堆肥的产品性和质量。表4为堆肥产品各指标之间的主成分分析,PC1和PC2分别解释了70.34%和21.27%的方差。PC1中pH、铵态氮、CO2、发芽指数、速效磷累积、氮固定有较大的正贡献,温度、有机质、碳氮比、氨气、碳损失、氮损失贡献有较大负贡献。PC2中速效钾的累积量有较大的正贡献。

表4 主成分的特征值、方差百分比和因子负荷

从图5观察到,G50和G100与其他处理显著分开,气化滤饼质量比低于25%的处理分布在Y轴左侧二、三象限,G50和G100分布Y轴右侧在第一、四象限。气化滤饼质量比低于25%的处理有较高氮素固定、速效磷累积、GI指数,G50和G100处理有较高的堆肥温度、氨气释放、碳氮损失、速效钾累积。全氮和氮的固定密切相关,pH和硝态氮含量、温度与有机质和碳损失密切相关(图5)。对各处理进行综合评价,表明添加质量比为12.5%的处理得分显著高于其他处理,为 0.29,添加量超过12.5%后,得分大幅下降,G50和G100处理综合得分为负值(图5)。

3 讨 论

微生物活动是堆肥腐熟的前提。温度是堆肥产品进程的体现,也是微生物生存的基本,气化滤饼具有较高的含水量,在堆肥过程中使堆肥材料保持充分的水分含量,并为微生物活动提供了必要的条件,促进了堆肥的温度增加,本试验中随气化滤饼添加量增加,堆肥材料提前了堆肥进入高温期的时间,增加了最高温度,并延长了堆肥高温期时间,这与Ngo等[22]研究结果一致。另外堆肥材料中粉碎的枸杞枝条和鸡粪较为细小,木质纤维在吸水后膨胀形成了更多空间,增加了堆肥材料的表面积和孔隙度,提高堆肥中的氧气,促进微生物生长[23],从而促使堆肥温度增加。pH是影响堆肥过程中微生物数量的重要因素[24],其含量与有机酸的生成密切相关。由于气化滤饼呈碱性,所以添加气化滤饼后各处理的pH随气化滤饼添加量增加而增加。初期pH的升高可能是由于铵态氮在微生物的作用下形成了NH3,大量NH3累积导致pH升高。随堆肥时间增加,有机质分解产生大量有机酸,因此pH随之开始下降,随堆肥完成,pH趋于稳定,这与张云龙等[25]研究结果一致。堆肥pH变化除与有机质快速分解产生有机酸有关外,还与堆肥中NH3的含量有关,因此pH下降的另一个原因可能是生成的NH3易挥发,挥发后NH3浓度下降,pH降低,这与Wang等[26]研究一致。

堆肥的有机质降解率可以直观地反应堆肥过程微生物活性和废弃物的利用效果。Yu等[27]认为高湿可增加堆肥的发酵速度,本试验气化滤饼材料具有较高含水量,随着气化滤饼添加量增加,促进了堆肥的好氧发酵速度。但当气化滤饼添加量增加到50%时,有机质分解反而下降,这可能是因为气化滤饼是高碳的物料,使得堆肥材料碳氮比失衡,有机质分解速度下降。有机质分解是碳损失的主要原因,随气化滤饼添加量的增加,堆肥整体释放的CO2也在增加,因此碳损失也随之增加。堆肥中全氮含量多来源于有机质的分解,气化滤饼质量比的增加使整体堆肥材料碳氮比失衡,抑制了有机质的分解,导致堆肥结束时高质量比的气化滤饼添加量的堆肥材料总氮含量低,在低中等质量比的气化滤饼添加量处理中总氮含量较多,G12.5处理最多。王永江等[28]认为由于微生物的硝化作用,硝态氮会随着堆肥过程中温度的提高以及pH的降低而增加,这与本试验研究一致。堆肥结束时G100硝态氮含量低于G0,这可能是因为此时G100处理依然还有较高的pH,抑制了微生物的硝化作用。堆肥过程中各处理铵态氮含量总体上呈现先升后降,再升高后再降低的趋势,且堆肥过程中各处理铵态氮含量随气化滤饼添加量而降低。铵态氮会伴随着NH3的生成而损失,而温度和pH影响NH3的生成,由于气化滤饼呈碱性,所以高质量比的气化滤饼会导致更多的铵态氮分解。堆肥中途上升可能是因为有机质分解产生有机酸使得堆肥pH下降,NH3生成减少,后期随着微生物的固化,铵态氮又开始下降,这与Bai等[29]研究结果一致。

碳氮比和种子发芽指数是判断堆肥腐熟度的重要因素。一般认为GI超过80%则认为堆肥产品没有毒性,本试验中, GI表明堆肥结束气化滤饼添加量不超过25%的没有毒性,添加量50%和100%的堆肥有一定的毒性,这可能是高剂量的气化滤饼添加会引起堆肥pH和电导率增加,这会抑制堆肥速度,造成堆肥腐熟度不足,具有一定的毒性。堆肥过程中整体碳氮比呈下降趋势,堆肥初期,各处理碳氮比均高于G0,可能是由于气化滤饼是一个低氮高碳物料,所以在堆肥完成时,G100具有最高的碳氮比。碳氮比超过30对堆肥质量产生不良影响,在25以下认为堆肥较为理想,本试验中除G100外,其他各处理均较为理想。

速效养分含量是堆肥养分供给的强度指标。本试验中与堆肥初期相比,堆肥结束时的速效磷含量均有显著增加,这可能是因为堆肥中速效磷来源于有机磷的矿质化作用,有机磷的矿化速度受温度、水分条件以及碳氮比影响较大,较大的碳氮比会使堆肥中的无机磷被微生物固化,这与本试验结果一致[30]。速效钾含量与速效磷相似,由于速效钾浸出和转化[11],在堆肥结束后,速效钾含量都显著增加,本试验中G50和G100处理拥有较高的速效钾累积量,这可能是因为气化滤饼本身有较高的钾含量以及高水分含量,有利于浸出。

本研究结果为气化滤饼和枸杞枝条堆肥利用提供理论依据,旨在通过不同比例堆肥利用以探究合理堆肥比例,减少工农业废弃物,获得更优质的堆肥产品,促进设施农业绿色发展,关于气化滤饼其它利用方式还需进一步探究。

4 结 论

添加气化滤饼使枸杞枝条堆肥提前2 d进入堆肥高温期,并延长高温期2～6 d;气化滤饼质量比50%及以下添加量促进有机质分解,且 6.25%～25%添加处理增加氮素固定;气化滤饼添加可促进堆肥过程中速效磷和速效钾的释放,且速效磷含量随气化滤饼添加量增加呈先增加后降低趋势;过量气化滤饼添加(50%及以上)降低了堆肥发芽指数,增加了氨气和二氧化碳的释放。主成分综合得分表明,G12.5处理的综合得分最高,因此 G12.5处理在加速堆肥进程,提高堆肥腐熟度和提升肥力,减少碳氮损失上表现最优。